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JP2014043514A - PRODUCTION METHOD OF β TYPE POLYVINYLIDENE FLUORIDE FILM, β TYPE POLYVINYLIDENE FLUORIDE FILM, AND PIEZOELECTRIC TYPE SENSOR HAVING β TYPE POLYVINYLIDENE FLUORIDE FILM - Google Patents

PRODUCTION METHOD OF β TYPE POLYVINYLIDENE FLUORIDE FILM, β TYPE POLYVINYLIDENE FLUORIDE FILM, AND PIEZOELECTRIC TYPE SENSOR HAVING β TYPE POLYVINYLIDENE FLUORIDE FILM Download PDF

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JP2014043514A JP2012186910A JP2012186910A JP2014043514A JP 2014043514 A JP2014043514 A JP 2014043514A JP 2012186910 A JP2012186910 A JP 2012186910A JP 2012186910 A JP2012186910 A JP 2012186910A JP 2014043514 A JP2014043514 A JP 2014043514A
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Abstract

【課題】大掛かりな設備を必要とせず且つ簡便な方法で製造できる圧電特性に優れ且つ純度の高いβ型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法、β型ポリフッ化ビニリデン膜、β型ポリフッ化ビニリデン膜を具備する圧電式センサを提供する。
【解決手段】β型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法は、ポリフッ化ビニリデンとポリフッ化ビニリデンを溶解してβ型に固定する水溶性極性溶媒と水溶性極性溶媒よりも沸点が低い有機溶媒とを混合して塗布液を形成する工程と、得られた塗布液を基板に塗布して塗布膜を形成する工程と、塗布膜を乾燥する工程と、乾燥した膜を水洗する工程とを含む。
【選択図】なし
A method for producing a β-type polyvinylidene fluoride film having excellent piezoelectric characteristics and high purity that can be produced by a simple method without requiring large-scale equipment, a β-type polyvinylidene fluoride film, and a β-type polyvinylidene fluoride film are provided. A piezoelectric sensor is provided.
A method of manufacturing a β-type polyvinylidene fluoride film is obtained by mixing polyvinylidene fluoride, a water-soluble polar solvent that dissolves polyvinylidene fluoride and fixing it to β-type, and an organic solvent having a boiling point lower than that of the water-soluble polar solvent. Forming a coating solution, applying the obtained coating solution to a substrate to form a coating film, drying the coating film, and washing the dried film with water.
[Selection figure] None

Description

本発明は、β型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法、β型ポリフッ化ビニリデン膜及びβ型ポリフッ化ビニリデン膜を具備する圧電式センサに関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a β-type polyvinylidene fluoride film, a β-type polyvinylidene fluoride film, and a piezoelectric sensor including the β-type polyvinylidene fluoride film.

従来から、高分子の圧電材料として、ポリフッ化ビニリデンが知られている。このポリフッ化ビニリデンは、水素センサ、圧力センサ、超音波センサ、加速度センサ及び振動センサ等の各種センサに圧電材料として既に用いられており、今後は、ソフトウエア等の情報処理デバイスや、アクチュエータ等の出力デバイスへの応用も期待されている。   Conventionally, polyvinylidene fluoride is known as a polymer piezoelectric material. This polyvinylidene fluoride has already been used as a piezoelectric material in various sensors such as hydrogen sensors, pressure sensors, ultrasonic sensors, acceleration sensors, and vibration sensors. In the future, information processing devices such as software, actuators, etc. Application to output devices is also expected.

ポリフッ化ビニリデンには、α型、β型及びγ型の3種の結晶構造が存在するが、その中で圧電性を有するのはβ型だけである。このようなβ型のポリフッ化ビニリデン膜は、通常、結晶構造を無極性α型から極性を有するβ型へ転移させるために、無極性α型のポリフッ化ビニリデンを一軸延伸し、一軸延伸後に、分極処理を施さなければ製造することができない。このため、ポリフッ化ビニリデン膜の製造には延伸機や分極装置等、大掛かりな設備が必要とされている(例えば、特許文献1参照)。   Polyvinylidene fluoride has three types of crystal structures, α-type, β-type, and γ-type. Among them, only the β-type has piezoelectricity. Such a β-type polyvinylidene fluoride film is usually uniaxially stretched with nonpolar α-type polyvinylidene fluoride in order to transfer the crystal structure from nonpolar α-type to polar β-type. It cannot be produced without polarization treatment. For this reason, the manufacture of a polyvinylidene fluoride film requires large-scale equipment such as a stretching machine and a polarization device (see, for example, Patent Document 1).

また、α型のポリフッ化ビニリデンを一軸延伸せずに溶融して押出し且つ結晶構造をα型からβ型に転移させずに、分極処理のみを施すことにより圧電体を製造する方法が提案されている(例えば、特許文献2参照)。   Also proposed is a method for producing a piezoelectric body by melting and extruding α-type polyvinylidene fluoride without uniaxial stretching and performing only polarization treatment without changing the crystal structure from α-type to β-type. (For example, refer to Patent Document 2).

しかしながら、このような製造方法であっても、押出機や、高電界を印加する分極装置が必要とされ、製造コストがかかるという問題がある。また、近年の環境負荷低減の観点からも、製造工程が少なく且つ製造コストを抑えた圧電材料の製造方法が求められている。   However, even with such a manufacturing method, there is a problem that an extruder and a polarization device that applies a high electric field are required, and the manufacturing cost is high. In addition, from the viewpoint of reducing environmental burdens in recent years, there is a demand for a method for manufacturing a piezoelectric material that has few manufacturing steps and suppresses manufacturing costs.

また、所定の化合物と共にポリフッ化ビニリデンを成膜することにより、α型やβ型又はこれらの混合型(γ型)の膜を成膜できることが知られているが(非特許文献3、4参照)、純度の高いポリフッ化ビニリデン膜を形成できるものではない。   Further, it is known that an α-type, β-type, or a mixed type (γ-type) film can be formed by forming a polyvinylidene fluoride film together with a predetermined compound (see Non-Patent Documents 3 and 4). ), A high-purity polyvinylidene fluoride film cannot be formed.

特開2011−006596号公報JP 2011-006596 A 特開2011−192665号公報JP2011-192665A

Journal of The Electrochemical Society,153(2)G119−G124(2006)Journal of The Electrochemical Society, 153 (2) G119-G124 (2006) Macromolecules,Vol.8,No.2,March−April 1975 p158−p170Macromolecules, Vol. 8, no. 2, March-April 1975 p158-p170

本発明はこのような事情に鑑み、大掛かりな設備を必要とせず且つ簡便な方法で製造できる圧電特性に優れ且つ純度の高いβ型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法、β型ポリフッ化ビニリデン膜、β型ポリフッ化ビニリデン膜を具備する圧電式センサを提供することを目的とする。   In view of such circumstances, the present invention does not require large-scale equipment and is capable of being manufactured by a simple method with excellent piezoelectric characteristics and a high purity β-type polyvinylidene fluoride film, β-type polyvinylidene fluoride film, β An object of the present invention is to provide a piezoelectric sensor having a type of polyvinylidene fluoride film.

上記課題を解決する本発明の態様は、β型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法であって、ポリフッ化ビニリデンと、該ポリフッ化ビニリデンを溶解してβ型に固定する水溶性極性溶媒と、前記水溶性極性溶媒よりも沸点が低い有機溶媒とを混合して塗布液を形成する工程と、得られた塗布液を基板に塗布して塗布膜を形成する工程と、前記塗布膜を乾燥する工程と、乾燥した膜を水洗する工程とを含むことを特徴とするβ型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法にある。   An aspect of the present invention that solves the above-described problems is a method for producing a β-type polyvinylidene fluoride film, which is a polyvinylidene fluoride, a water-soluble polar solvent that dissolves the polyvinylidene fluoride and fixes it to β-type, and the water-soluble A step of mixing an organic solvent having a boiling point lower than that of the polar solvent to form a coating solution, a step of coating the obtained coating solution on a substrate to form a coating film, and a step of drying the coating film. And a step of washing the dried membrane with water, and a method for producing a β-type polyvinylidene fluoride membrane.

かかる発明によれば、大掛かりな設備を必要とせず且つ簡便な方法で、圧電特性に優れ且つ純度の高いβ型ポリフッ化ビニリデン膜を製造することができる。   According to this invention, a β-type polyvinylidene fluoride film having excellent piezoelectric characteristics and high purity can be produced by a simple method without requiring large-scale equipment.

ここで、前記水溶性極性溶媒と、該水溶性極性溶媒よりも沸点が低い有機溶媒の体積比は、1:3〜3:1の範囲にあることが好ましい。   Here, the volume ratio of the water-soluble polar solvent and the organic solvent having a boiling point lower than that of the water-soluble polar solvent is preferably in the range of 1: 3 to 3: 1.

これによれば、大掛かりな設備を必要とせず且つ簡便な方法で、圧電特性に優れ且つ純度の高いβ型ポリフッ化ビニリデン膜を製造することができる。   According to this, a β-type polyvinylidene fluoride film having excellent piezoelectric characteristics and high purity can be produced by a simple method without requiring large-scale equipment.

また、前記水溶性極性溶媒は、ヘキサメチルリン酸トリアミドであることが好ましい。   The water-soluble polar solvent is preferably hexamethylphosphoric triamide.

これによれば、大掛かりな設備を必要とせず且つ簡便な方法で、より圧電特性に優れ且つ純度の高いβ型ポリフッ化ビニリデン膜を確実に製造することができる。   According to this, a β-type polyvinylidene fluoride film having superior piezoelectric characteristics and high purity can be reliably produced by a simple method without requiring large-scale equipment.

本発明の他の態様は、ポリフッ化ビニリデンを含有する塗布液を塗布して製造されたβ型ポリフッ化ビニリデン膜であって、粒状の結晶粒からなり、前記粒状の結晶粒の平均粒径は、8〜9μmであり、48%〜53%の体積空隙率を有することを特徴とするβ型ポリフッ化ビニリデン膜にある。   Another aspect of the present invention is a β-type polyvinylidene fluoride film produced by applying a coating solution containing polyvinylidene fluoride, comprising granular crystal grains, and the average grain size of the granular crystal grains is The β-type polyvinylidene fluoride film has a volume porosity of 48% to 53%.

かかる発明によれば、体積空隙率が大きく、結晶粒の間に複数の空隙が存在する多孔性に優れたβ型ポリフッ化ビニリデン膜を実現することができる。結晶粒の間に複数の空隙が存在することにより、β型ポリフッ化ビニリデン膜の歪特性はさらに優れたものとなる。   According to this invention, it is possible to realize a β-type polyvinylidene fluoride film having a high volume porosity and excellent porosity in which a plurality of voids exist between crystal grains. Due to the presence of a plurality of voids between the crystal grains, the strain characteristics of the β-type polyvinylidene fluoride film are further improved.

本発明の他の態様は、前記何れかの態様に記載のβ型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法により製造されたβ型ポリフッ化ビニリデン膜又は前記何れかの態様に記載のβ型ポリフッ化ビニリデン膜と、前記β型ポリフッ化ビニリデン膜の両面にそれぞれ積層された電極とを具備することを特徴とする圧電式センサにある。   Another aspect of the present invention is the β-type polyvinylidene fluoride film produced by the method for producing the β-type polyvinylidene fluoride film according to any one of the above aspects, or the β-type polyvinylidene fluoride film according to any one of the above aspects. And an electrode laminated on both sides of the β-type polyvinylidene fluoride film.

かかる発明の圧電式センサによれば、歪特性に優れたβ型ポリフッ化ビニリデン膜を具備するので、高感度で且つ安定した検知特性を有する圧電式センサを実現することができる。   According to the piezoelectric sensor of the present invention, since the β-type polyvinylidene fluoride film having excellent distortion characteristics is provided, a piezoelectric sensor having high sensitivity and stable detection characteristics can be realized.

ここで、前記圧電式センサは、圧電式水素センサであることが好ましい。   Here, the piezoelectric sensor is preferably a piezoelectric hydrogen sensor.

これによれば、歪特性に優れたβ型ポリフッ化ビニリデン膜を具備するので、高感度で且つ安定した検知特性を有する圧電式水素センサを実現することができる。   According to this, since the β-type polyvinylidene fluoride film having excellent distortion characteristics is provided, a piezoelectric hydrogen sensor having high sensitivity and stable detection characteristics can be realized.

本発明のβ型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法によれば、大掛かりな設備を必要とせず且つ簡便な方法で、圧電特性に優れ且つ純度の高いβ型ポリフッ化ビニリデン膜を製造することができる。また、本発明のβ型ポリフッ化ビニリデン膜によれば、結晶粒の間に複数の空隙が存在する多孔性に優れた膜を得ることができる。これにより、歪特性に優れたβ型ポリフッ化ビニリデン膜を実現することができる。さらに、このようなβ型ポリフッ化ビニリデン膜を圧電体膜として具備する圧電式センサによれば、高感度で且つ安定した検知特性を有する圧電式センサを実現することができる。   According to the method for producing a β-type polyvinylidene fluoride film of the present invention, a β-type polyvinylidene fluoride film having excellent piezoelectric characteristics and high purity can be produced by a simple method without requiring a large facility. Moreover, according to the β-type polyvinylidene fluoride film of the present invention, a film having excellent porosity in which a plurality of voids exist between crystal grains can be obtained. Thereby, a β-type polyvinylidene fluoride film having excellent strain characteristics can be realized. Furthermore, according to the piezoelectric sensor having such a β-type polyvinylidene fluoride film as a piezoelectric film, a piezoelectric sensor having high sensitivity and stable detection characteristics can be realized.

実施形態1に係る圧電式水素センサの構造と作動原理を示す模式図である。It is a schematic diagram showing the structure and operating principle of the piezoelectric hydrogen sensor according to the first embodiment. 実施例1の水素ガス検知特性を示す図である。It is a figure which shows the hydrogen gas detection characteristic of Example 1. FIG. 実施例2の水素ガス検知特性を示す図である。It is a figure which shows the hydrogen gas detection characteristic of Example 2. FIG. 実施例3の水素ガス検知特性を示す図である。It is a figure which shows the hydrogen gas detection characteristic of Example 3. 実施例4の水素ガス検知特性を示す図である。It is a figure which shows the hydrogen gas detection characteristic of Example 4. 実施例5の水素ガス検知特性を示す図である。It is a figure which shows the hydrogen gas detection characteristic of Example 5. 実施例6の水素ガス検知特性を示す図である。It is a figure which shows the hydrogen gas detection characteristic of Example 6. 実施例7の水素ガス検知特性を示す図である。It is a figure which shows the hydrogen gas detection characteristic of Example 7. 実施例8の水素ガス検知特性を示す図である。It is a figure which shows the hydrogen gas detection characteristic of Example 8. 比較例1の水素ガス検知特性を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating hydrogen gas detection characteristics of Comparative Example 1. 比較例2の水素ガス検知特性を示す図である。It is a figure which shows the hydrogen gas detection characteristic of the comparative example 2. 実施例1及び比較例1のSEM観察写真である。2 is a SEM observation photograph of Example 1 and Comparative Example 1. 実施例1のポリフッ化ビニリデン膜の赤外分光法による吸収スペクトルの図である。It is a figure of the absorption spectrum by the infrared spectroscopy of the polyvinylidene fluoride film | membrane of Example 1.

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。   Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments.

(β型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法)
本発明に係るβ型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法は、大がかりな設備を必要とせず、溶液塗布法による簡便な方法により圧電特性に優れ且つ純度の高いβ型ポリフッ化ビニリデン膜を製造するものである。なお、本発明でのβ型ポリフッ化ビニリデン膜は、β型が主体であり、β型としての機能を発揮すれば、α型などが混在したものも含むものであり、純度が高いとは、ポリフッ化ビニリデン以外の成分がほとんど含有されていない膜であることをいう。
(Method for producing β-type polyvinylidene fluoride film)
The method for producing a β-type polyvinylidene fluoride film according to the present invention does not require large-scale equipment, and produces a β-type polyvinylidene fluoride film having excellent piezoelectric characteristics and high purity by a simple method using a solution coating method. is there. In addition, the β-type polyvinylidene fluoride film in the present invention is mainly β-type, and if it exhibits the function as β-type, it also includes a mixture of α-type and the like. It means that the film contains almost no components other than polyvinylidene fluoride.

β型ポリフッ化ビニリデンは、(−CF−CH−)の繰り返し連鎖からなり、分子鎖がオールトランスの立体配座構造からなる。このため、β型ポリフッ化ビニリデンは、自発分極の向きがフッ素原子から水素原子に、即ち、分子鎖に対して垂直方向に揃っており、圧電特性に優れた材料となる。 β-type polyvinylidene fluoride consists of a repeating chain of (—CF 2 —CH 2 —) n and a conformation structure in which the molecular chain is all-trans. For this reason, β-type polyvinylidene fluoride has a direction of spontaneous polarization aligned from a fluorine atom to a hydrogen atom, that is, in a direction perpendicular to the molecular chain, and is a material having excellent piezoelectric characteristics.

このような圧電特性に優れたβ型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法は、ポリフッ化ビニリデンと、ポリフッ化ビニリデンを溶解してβ型に固定する水溶性極性溶媒と、水溶性極性溶媒よりも沸点が低い有機溶媒とを混合して塗布液を形成する工程と、得られた塗布液を基板に塗布して塗布膜を形成する工程と、塗布膜を乾燥する工程と、乾燥した膜を水洗する工程とを含む工程からなる。   The manufacturing method of such a β-type polyvinylidene fluoride film having excellent piezoelectric characteristics is that polyvinylidene fluoride, a water-soluble polar solvent that dissolves polyvinylidene fluoride and fixes it to β-type, and a boiling point that is higher than that of the water-soluble polar solvent. A step of mixing a low organic solvent to form a coating solution, a step of applying the obtained coating solution to a substrate to form a coating film, a step of drying the coating film, and a step of washing the dried film with water The process including these.

かかる本発明は、ポリフッ化ビニリデンを、ポリフッ化ビニリデンを溶解してβ型に固定する水溶性極性溶媒と、水溶性極性溶媒よりも沸点が低い有機溶媒とに溶解して塗布液とし、これを成膜した後、かかる有機溶媒を除去して多孔性膜とし、これを水洗して水溶性極性溶媒を除去することにより、純度の高いβ型ポリフッ化ビニリデン膜を製造するものである。   In the present invention, polyvinylidene fluoride is dissolved in a water-soluble polar solvent that dissolves polyvinylidene fluoride and fixed in β-type, and an organic solvent having a boiling point lower than that of the water-soluble polar solvent to obtain a coating solution. After the film formation, the organic solvent is removed to form a porous film, which is washed with water to remove the water-soluble polar solvent, thereby producing a high-purity β-type polyvinylidene fluoride film.

以下、各工程について説明する。   Hereinafter, each step will be described.

塗布液の形成工程は、ポリフッ化ビニリデンと、ポリフッ化ビニリデンを溶解してβ型に固定する水溶性極性溶媒と、水溶性極性溶媒よりも沸点が低い有機溶媒とを混合して塗布液を形成する工程である。具体的には、所定の水溶性極性溶媒と所定の有機溶媒に、ポリフッ化ビニリデン粉を溶解して、ポリフッ化ビニリデンを含む塗布液を調製する。   The coating liquid formation process consists of mixing polyvinylidene fluoride, a water-soluble polar solvent that dissolves polyvinylidene fluoride and fixing it in β-type, and an organic solvent having a boiling point lower than that of the water-soluble polar solvent. It is a process to do. Specifically, a polyvinylidene fluoride powder is dissolved in a predetermined water-soluble polar solvent and a predetermined organic solvent to prepare a coating solution containing polyvinylidene fluoride.

ここで、本発明で用いるポリフッ化ビニリデンとは、β型ポリフッ化ビニリデン膜となって圧電特性を示すものであれば、フッ化ビニリデン単独の重合体だけでなく、フッ化ビニリデンのモノマーと、フッ素を含有する他のモノマーとの共重合体であってもよく、本発明では、これらを総称して単にポリフッ化ビニリデンという。本発明では、ポリフッ化ビニリデンは、溶媒に溶解して用いるので、好適には粉状のものを用いるが、フレーク状、塊状であってもよい。   Here, the polyvinylidene fluoride used in the present invention is not only a polymer of vinylidene fluoride alone but also a vinylidene fluoride monomer and fluorine as long as it is a β-type polyvinylidene fluoride film and exhibits piezoelectric characteristics. In the present invention, these are collectively referred to simply as polyvinylidene fluoride. In the present invention, since polyvinylidene fluoride is used after being dissolved in a solvent, it is preferably used in the form of powder, but may be in the form of flakes or lumps.

また、本発明で用いる所定の水溶性極性溶媒は、ポリフッ化ビニリデンを溶解して該ポリフッ化ビニリデンをβ型に固定化する機能を有するものであり、例えば、ヘキサメチルリン酸トリアミド(HMPA)等のリン酸アミド化合物、ジメチルアセトアミド、ジメチルホルムアミド、ジメチルスルホキシド等を挙げることができる。また、リン酸アミド化合物は、ヘキサアルキルリン酸トリアミド等のトリアミドだけでなく、モノアミド、ジアミド又はこれらの混合物を含むものである。これらの中でも、特にヘキサメチルリン酸トリアミドが好ましく、本実施形態ではヘキサメチルリン酸トリアミドを用いている。   Further, the predetermined water-soluble polar solvent used in the present invention has a function of dissolving polyvinylidene fluoride and immobilizing the polyvinylidene fluoride to β-type, such as hexamethylphosphoric triamide (HMPA), etc. And phosphoric acid amide compounds, dimethylacetamide, dimethylformamide, dimethylsulfoxide and the like. The phosphoric acid amide compound includes not only a triamide such as a hexaalkylphosphoric acid triamide but also a monoamide, a diamide, or a mixture thereof. Among these, hexamethyl phosphate triamide is particularly preferable, and hexamethyl phosphate triamide is used in this embodiment.

ここで、水溶性極性溶媒がポリフッ化ビニリデンをβ型に固定化する機能を有するとは、ポリフッ化ビニリデンと相溶した状態でポリフッ化ビニリデンをβ型の結晶構造に転移して固定化することをいう。また、β型に固定化するとは、完全にβ型に固定化するものの他、α型よりβ型が優位なように固定するものを包含するものであり、結果的に成膜されたポリフッ化ビニリデンが所望の圧電性を有するものとなるように固定化するものであればよい。   Here, the water-soluble polar solvent has the function of immobilizing polyvinylidene fluoride in β-type when the polyvinylidene fluoride is transferred to the β-type crystal structure and immobilized in a state of being compatible with polyvinylidene fluoride. Say. In addition, immobilization to β-type includes not only those that are completely immobilized to β-type, but also those that are fixed so that β-type is superior to α-type. What is necessary is just to fix so that vinylidene may become what has desired piezoelectricity.

また、水溶性極性溶媒の水溶性とは、後述する水洗工程により塗布膜から除去できる程度の水溶性を意味する。   Moreover, the water solubility of a water-soluble polar solvent means water solubility to the extent that it can be removed from a coating film by a water washing step described later.

水溶性極性溶媒よりも沸点が低い有機溶媒とは、後述の乾燥温度における飽和蒸気圧が、水溶性極性溶媒よりも高く、蒸発速度が速いものをいう。このため、後述する塗布膜の乾燥工程において、かかる有機溶媒の沸点温度程度に加熱することにより、水溶性極性溶媒を塗布膜に残存させたまま、有機溶媒のみを蒸発させることができ、これにより多孔性の塗布膜とすることができる。このような有機溶媒は、ポリフッ化ビニリデン及び水溶性極性溶媒と相溶するものであり、使用する水溶性極性溶媒の種類に応じて、適宜選択すればよい。   The organic solvent having a boiling point lower than that of the water-soluble polar solvent means a solvent having a saturated vapor pressure at a drying temperature described later, which is higher than that of the water-soluble polar solvent and has a high evaporation rate. For this reason, in the drying step of the coating film described later, by heating to about the boiling temperature of the organic solvent, only the organic solvent can be evaporated while the water-soluble polar solvent remains in the coating film. A porous coating film can be obtained. Such an organic solvent is compatible with polyvinylidene fluoride and a water-soluble polar solvent, and may be appropriately selected according to the type of the water-soluble polar solvent to be used.

水溶性極性溶媒よりも沸点が低い有機溶媒としては、例えば、アセトン、メチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、シクロヘキサノン、ジメチルホルムアミド、ジエチルホルムアミド、ジメチルアセトアミド、ジエチルアセトアミド、ジメチルブチルアミド及びN−メチルピロリドン等又はこれらの混合溶媒を挙げることができる。これらの中でも、アセトン及びジメチルホルムアミドからなる群から選択される少なくとも1種を用いるのが好ましい。本実施形態では、蒸発のし易さに鑑みて、アセトンを用いている。   Examples of the organic solvent having a boiling point lower than that of the water-soluble polar solvent include acetone, methyl ethyl ketone, methyl isobutyl ketone, cyclohexanone, dimethylformamide, diethylformamide, dimethylacetamide, diethylacetamide, dimethylbutyramide, and N-methylpyrrolidone. A mixed solvent can be mentioned. Among these, it is preferable to use at least one selected from the group consisting of acetone and dimethylformamide. In the present embodiment, acetone is used in view of easiness of evaporation.

本発明では、上述したポリフッ化ビニリデンと、ポリフッ化ビニリデンを溶解してβ型に固定する水溶性極性溶媒と、水溶性極性溶媒よりも沸点が低い有機溶媒とを混合して塗布液を形成するが、水溶性極性溶媒と、水溶性極性溶媒よりも沸点が低い有機溶媒の体積比は、上述したように乾燥後に多孔性の形状を保持できる塗布膜を形成できる範囲であれば、特に限定されず、有機溶媒を10容量%〜80容量%含有させればよい。10容量%より有機溶媒が少ないと有機溶媒を除去した際に多孔性の膜とはならず、また、80容量%より多いと膜の形状が保持できないからである。好適には、水溶性極性溶媒と有機溶媒の体積比が1:3〜3:1の範囲にあるのが望ましい。   In the present invention, the coating liquid is formed by mixing the above-mentioned polyvinylidene fluoride, a water-soluble polar solvent that dissolves polyvinylidene fluoride and fixing the β-type, and an organic solvent having a boiling point lower than that of the water-soluble polar solvent. However, the volume ratio of the water-soluble polar solvent and the organic solvent having a boiling point lower than that of the water-soluble polar solvent is particularly limited as long as it can form a coating film that can maintain a porous shape after drying as described above. The organic solvent may be contained in an amount of 10 to 80% by volume. This is because when the organic solvent is less than 10% by volume, a porous film is not formed when the organic solvent is removed, and when it is more than 80% by volume, the shape of the film cannot be maintained. Preferably, the volume ratio of the water-soluble polar solvent to the organic solvent is in the range of 1: 3 to 3: 1.

また、ポリフッ化ビニリデンの含有量は、水溶性極性溶媒の総質量に対して、例えば、3.5質量%以上の範囲にあるのが好ましく、より好ましいのは、5〜6.5質量%の範囲である。   The content of polyvinylidene fluoride is preferably in the range of 3.5% by mass or more, and more preferably 5 to 6.5% by mass with respect to the total mass of the water-soluble polar solvent. It is a range.

さらに好ましいのは、水溶性極性溶媒としてヘキサメチルリン酸トリアミドを用いた場合、ヘキサメチルリン酸トリアミドとアセトンの体積比が1:1であり且つポリフッ化ビニリデンの含有量が、ヘキサメチルリン酸トリアミドの総質量に対して、6.5質量%である。   More preferably, when hexamethyl phosphate triamide is used as the water-soluble polar solvent, the volume ratio of hexamethyl phosphate triamide to acetone is 1: 1 and the content of polyvinylidene fluoride is hexamethyl phosphate triamide. The total mass is 6.5% by mass.

本発明では、このようにして得られた塗布液を基板に塗布して塗布膜を形成する。かかる塗布膜の形成工程は、混合して得られた塗布液を基板に塗布して塗布膜を形成する工程である。   In the present invention, the coating solution thus obtained is applied to a substrate to form a coating film. The coating film forming step is a step of forming a coating film by applying a coating solution obtained by mixing to a substrate.

塗布方法は、塗膜が形成できるものであれば特に限定されないが、例えば、スピンコート法、キャスト法及びインクジェット法等の公知の塗布方法を適用することができる。なお、塗布工程において、塗布液の容量(質量)を増やしたり、塗布回数を増やしたり、塗布膜の形成工程と乾燥工程を繰り返すことにより、所望の膜厚を得ることができる。   The coating method is not particularly limited as long as a coating film can be formed. For example, known coating methods such as a spin coating method, a casting method, and an ink jet method can be applied. In the coating process, a desired film thickness can be obtained by increasing the volume (mass) of the coating liquid, increasing the number of coatings, or repeating the coating film forming process and the drying process.

基板は、塗布液を保持できるものであれば特に限定されないが、例えば、シリコン基板、ガラス基板、セラミック基板、プラスチック基板、高分子基板及び金属基板等を挙げることができる。本実施形態では、ガラス基板を用いている。   The substrate is not particularly limited as long as it can hold the coating liquid, and examples thereof include a silicon substrate, a glass substrate, a ceramic substrate, a plastic substrate, a polymer substrate, and a metal substrate. In this embodiment, a glass substrate is used.

本発明では、次いで、形成した塗布膜を乾燥する。かかる塗布膜を乾燥する工程は、基板に形成された塗布膜を乾燥して多孔性の膜とする工程である。   In the present invention, the formed coating film is then dried. The step of drying the coating film is a step of drying the coating film formed on the substrate to form a porous film.

具体的には、基板上に塗布されたポリフッ化ビニリデンを含有する塗布液からなる塗布膜から、水溶性極性溶媒よりも沸点が低い有機溶媒のみを除去し、多孔性の乾燥膜を形成する工程である。   Specifically, a step of forming a porous dry film by removing only an organic solvent having a boiling point lower than that of a water-soluble polar solvent from a coating film made of a coating liquid containing polyvinylidene fluoride applied on a substrate It is.

本実施形態では、かかる有機溶媒としてアセトンを用いているため、例えば、塗布膜をアセトンの沸点(約56℃)よりも数十℃高い80℃程度に加熱して、塗布膜からアセトンのみを蒸発させて、乾燥膜を形成している。   In this embodiment, since acetone is used as the organic solvent, for example, the coating film is heated to about 80 ° C., which is several tens of degrees higher than the boiling point of acetone (about 56 ° C.), and only acetone is evaporated from the coating film. Thus, a dry film is formed.

塗布膜から有機溶媒のみを除去するため、得られる乾燥膜は所定の水溶性極性溶媒とポリフッ化ビニリデンから構成され、複数の空隙が存在する多孔性の膜、すなわち、ポーラスの膜となる。また、乾燥膜中では、所定の水溶性極性溶媒の存在により、ポリフッ化ビニリデン膜の自発分極の向きは一定の方向に揃えられ、膜の結晶構造はβ型に保持されている。後述する赤外分光法による吸収スペクトルの結果からも、乾燥膜中に含まれるポリフッ化ビニリデン膜の結晶構造は、β型であることが確認されている。   In order to remove only the organic solvent from the coating film, the obtained dry film is composed of a predetermined water-soluble polar solvent and polyvinylidene fluoride, and becomes a porous film having a plurality of voids, that is, a porous film. Further, in the dry film, due to the presence of a predetermined water-soluble polar solvent, the direction of spontaneous polarization of the polyvinylidene fluoride film is aligned in a certain direction, and the crystal structure of the film is maintained in the β-type. From the result of the absorption spectrum by infrared spectroscopy described later, it is confirmed that the crystal structure of the polyvinylidene fluoride film contained in the dry film is β-type.

なお、乾燥工程で用いられる加熱装置としては、例えば、赤外線ランプの照射により加熱するRTA(Rapid Thermal Annealing)装置やホットプレート等を挙げることができる。本実施形態では、ホットプレートを用いている。   Examples of the heating device used in the drying process include an RTA (Rapid Thermal Annealing) device that heats by irradiation with an infrared lamp and a hot plate. In this embodiment, a hot plate is used.

本発明では、次いで、乾燥して形成した多孔性の膜を水洗する。かかる水洗工程は、乾燥した膜を水洗して、水溶性極性溶媒を除去する工程である。好適には、乾燥した膜を基板から剥離して水洗するが、水溶性極性溶媒を除去できるのであれば乾燥膜を基板上に保持したまま水洗してもよい。   In the present invention, the porous film formed by drying is then washed with water. The water washing step is a step of washing the dried film with water to remove the water-soluble polar solvent. Preferably, the dried film is peeled off from the substrate and washed with water. However, if the water-soluble polar solvent can be removed, the dried film may be washed with water held on the substrate.

水洗は、流水、又は水中への浸漬等により行えばよい。本実施形態では、乾燥して得られたポリフッ化ビニリデン含有膜を基板から剥離して純水で約1分間、水洗し、ポリフッ化ビニリデン含有膜中のヘキサメチルリン酸トリアミド等の水溶性極性溶媒を除去する。   Washing with water may be performed by running water, immersion in water, or the like. In this embodiment, the polyvinylidene fluoride-containing film obtained by drying is peeled off from the substrate, washed with pure water for about 1 minute, and a water-soluble polar solvent such as hexamethylphosphoric triamide in the polyvinylidene fluoride-containing film. Remove.

乾燥膜はアセトンの蒸発により多孔性の膜となっているため、水溶性極性溶媒、例えば、ヘキサメチルリン酸トリアミドは水洗により乾燥膜から除去されると考えられる。また、乾燥膜から水洗によりポリフッ化ビニリデンをβ型に固定化しているヘキサメチルリン酸トリアミド等の水溶性極性溶媒を除去しても、ポリフッ化ビニリデンの自発分極の方向は維持されることが確認されている。よって、水洗により、圧電特性に優れ且つ純度の高いβ型ポリフッ化ビニリデン膜を形成することができる。後述する赤外分光法による吸収スペクトルの結果からも、水洗後のポリフッ化ビニリデン膜は、純度の高いβ型であることが確認されている。形成されたβ型ポリフッ化ビニリデン膜の膜厚は約70〜300μmである。   Since the dry film becomes a porous film by evaporation of acetone, it is considered that the water-soluble polar solvent, for example, hexamethylphosphoric triamide is removed from the dry film by washing with water. In addition, it was confirmed that the direction of spontaneous polarization of polyvinylidene fluoride was maintained even after removal of water-soluble polar solvent such as hexamethylphosphoric triamide that fixed polyvinylidene fluoride to β-type by washing with water from the dried film Has been. Therefore, a β-type polyvinylidene fluoride film having excellent piezoelectric characteristics and high purity can be formed by washing with water. Also from the result of an absorption spectrum by infrared spectroscopy described later, it is confirmed that the polyvinylidene fluoride film after washing with water is a β-type having a high purity. The film thickness of the formed β-type polyvinylidene fluoride film is about 70 to 300 μm.

また、所定の水溶性極性溶媒の脱離により、さらに体積空隙率が大きい多孔性のβ型ポリフッ化ビニリデン膜を形成することができる。多孔性を有することにより、ポリフッ化ビニリデン膜は優れた歪特性を有する。   In addition, a porous β-type polyvinylidene fluoride film having a larger volume porosity can be formed by desorption of a predetermined water-soluble polar solvent. Due to the porosity, the polyvinylidene fluoride film has excellent strain characteristics.

本発明では、純度が高く且つ多孔性に優れたβ型のポリフッ化ビニリデン膜を形成するために、塗布液に水溶性極性溶媒よりも沸点が低い有機溶媒を混合している。そして、乾燥工程において、塗布膜に水溶性極性溶媒を残存させたまま、かかる有機溶媒を先に蒸発させることで、残存膜(乾燥膜)を多孔性を有するものとし、続く水洗工程において、乾燥膜から、さらに水溶性極性溶媒を脱離させて、より多孔性を有する膜とする。このような乾燥工程と水洗工程の2つの工程により、純度が高く且つ多孔性に優れたβ型のポリフッ化ビニリデン膜を形成することができる。   In the present invention, in order to form a β-type polyvinylidene fluoride film having high purity and excellent porosity, an organic solvent having a boiling point lower than that of the water-soluble polar solvent is mixed in the coating solution. In the drying step, the organic solvent is first evaporated while leaving the water-soluble polar solvent in the coating film, so that the remaining film (dry film) is porous. In the subsequent washing step, the organic solvent is dried. A water-soluble polar solvent is further desorbed from the membrane to obtain a more porous membrane. A β-type polyvinylidene fluoride film having high purity and excellent porosity can be formed by the two steps of the drying step and the water washing step.

さらに、本発明の製造方法によれば、塗布液に混合する、水溶性極性溶媒よりも沸点が低い有機溶媒の混合比率を変えることにより、β型のポリフッ化ビニリデン膜の多孔性、即ち、体積空隙率を制御することが可能である。具体的には、かかる有機溶媒の混合比率を増やすことにより、乾燥工程で蒸発する有機溶媒を増大させ、多孔性を高め、体積空隙率を大きくすることができる。   Furthermore, according to the production method of the present invention, the porosity of the β-type polyvinylidene fluoride film is changed by changing the mixing ratio of the organic solvent having a boiling point lower than that of the water-soluble polar solvent mixed in the coating solution. It is possible to control the porosity. Specifically, by increasing the mixing ratio of such organic solvents, it is possible to increase the organic solvent that evaporates in the drying step, increase the porosity, and increase the volume porosity.

このように、本発明に係るβ型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法によれば、大掛かりな設備を必要とせず、塗布液の形成工程、塗布膜の形成工程及び乾燥工程、乾燥膜の水洗工程のみからなる簡便な方法により、圧電特性に優れ且つ純度の高いβ型ポリフッ化ビニリデン膜を製造することができる。また、このような塗布法によるβ型ポリフッ化ビニリデン膜の製造は、製造工程が少ないため、環境負荷が小さく、製造コストの低減を図ることができる。このような圧電特性に優れ且つ純度の高い膜を圧電体膜として各種センサに搭載することにより、検知特性の優れたセンサを実現することができる。   As described above, according to the method for producing a β-type polyvinylidene fluoride film according to the present invention, a large-scale facility is not required, and only a coating liquid forming process, a coating film forming process and a drying process, and a dry film washing process are performed. A β-type polyvinylidene fluoride film having excellent piezoelectric characteristics and high purity can be produced by a simple method comprising: In addition, the production of a β-type polyvinylidene fluoride film by such a coating method has a small number of production steps, so that the environmental load is small and the production cost can be reduced. By mounting such a film having excellent piezoelectric characteristics and high purity as a piezoelectric film on various sensors, a sensor having excellent detection characteristics can be realized.

(β型ポリフッ化ビニリデン膜)
本発明に係るβ型ポリフッ化ビニリデン膜は、平均粒径8〜9μmの粒形の結晶粒からなり、48〜53%の体積空隙率を有する膜である。
(Β-type polyvinylidene fluoride film)
The β-type polyvinylidene fluoride film according to the present invention is a film made of crystal grains having an average particle diameter of 8 to 9 μm and having a volume porosity of 48 to 53%.

なお、体積空隙率は、以下の式により算出した。
体積空隙率(%)=((真のPVDFの質量−みかけのPVDFの質量)/真のPVDFの質量)×100
ただし、真のPVDFの質量とは、理論密度1.78g/cm×作製したPVDF膜の体積であり、みかけのPVDFの質量とは秤量計による実測値である。
The volume porosity was calculated by the following formula.
Volume porosity (%) = ((mass of true PVDF−mass of apparent PVDF) / mass of true PVDF) × 100
However, the true PVDF mass is a theoretical density of 1.78 g / cm 3 × the volume of the PVDF membrane produced, and the apparent PVDF mass is an actual value measured by a weighing meter.

このようなポリフッ化ビニリデン膜は、体積空隙率が大きく、結晶粒の間に複数の空隙が存在する多孔性の膜である。これらの空隙の存在により、ポリフッ化ビニリデン膜は優れた歪特性を有する。一方、従来の延伸法で製造したβ型ポリフッ化ビニリデン膜は、表面が平坦であり、粒状の結晶粒は見られない。   Such a polyvinylidene fluoride film is a porous film having a large volume porosity and having a plurality of voids between crystal grains. Due to the presence of these voids, the polyvinylidene fluoride film has excellent strain characteristics. On the other hand, the β-type polyvinylidene fluoride film produced by a conventional stretching method has a flat surface and no granular crystal grains are observed.

よって、本発明に係る粒状の結晶粒からなるβ型ポリフッ化ビニリデン膜は、従来のβ型ポリフッ化ビニリデン膜とは区別され、例えば、圧電体膜として、圧電式センサに用いることにより、高感度で且つ安定した検知特性を有するセンサを実現することができる。   Therefore, the β-type polyvinylidene fluoride film made of granular crystal grains according to the present invention is distinguished from the conventional β-type polyvinylidene fluoride film. For example, the piezoelectric film is used as a piezoelectric sensor for high sensitivity. In addition, a sensor having stable detection characteristics can be realized.

(圧電式センサ)
本発明に係る圧電式センサは、上述の製造方法により製造されたβ型ポリフッ化ビニリデン膜又は塗布法により製造されたβ型ポリフッ化ビニリデン膜を圧電体膜として用いたものである。本実施形態では、圧電式センサの一例として、圧電式水素センサについて説明する。
(Piezoelectric sensor)
The piezoelectric sensor according to the present invention uses a β-type polyvinylidene fluoride film manufactured by the above-described manufacturing method or a β-type polyvinylidene fluoride film manufactured by a coating method as a piezoelectric film. In this embodiment, a piezoelectric hydrogen sensor will be described as an example of a piezoelectric sensor.

図1は、本実施形態に係る圧電式水素センサの構造と作動原理を示す模式図である。図1に示すように、圧電式水素センサ1は、一対のパラジウム電極2と、これらのパラジウム電極2に挟まれたβ型ポリフッ化ビニリデン膜3とからなり、β型ポリフッ化ビニリデン膜3の両面にパラジウムを積層してパラジウム電極2を形成したものである。パラジウムは、水素のみを選択的に吸収して膨張する性質をもつ金属であり、圧電式水素センサとして好適である。このため、本実施形態に係る圧電式水素センサ1は、パラジウムの粒子が空気中等に存在する水素を吸収し、膨張すると、電極に挟まれたβ型ポリフッ化ビニリデン膜3に歪みが生じ、β型ポリフッ化ビニリデン膜3の静電容量が変化する。この容量変化を電圧信号として出力することにより水素を検知するものである。このような圧電式水素センサは、センサ自身の歪みで電圧を発生するため、電源が不要で室温で自律動作するという実用上重要な特徴を備えている。   FIG. 1 is a schematic diagram showing the structure and operating principle of a piezoelectric hydrogen sensor according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the piezoelectric hydrogen sensor 1 includes a pair of palladium electrodes 2 and a β-type polyvinylidene fluoride film 3 sandwiched between the palladium electrodes 2, and both surfaces of the β-type polyvinylidene fluoride film 3. Palladium electrode 2 is formed by laminating palladium. Palladium is a metal that has the property of selectively absorbing only hydrogen and expanding, and is suitable as a piezoelectric hydrogen sensor. Therefore, in the piezoelectric hydrogen sensor 1 according to the present embodiment, when the palladium particles absorb hydrogen existing in the air or the like and expand, the β-type polyvinylidene fluoride film 3 sandwiched between the electrodes is distorted, and β The capacitance of the type polyvinylidene fluoride film 3 changes. This change in capacity is output as a voltage signal to detect hydrogen. Such a piezoelectric hydrogen sensor has a practically important feature that it does not require a power source and operates autonomously at room temperature because it generates a voltage due to distortion of the sensor itself.

本実施形態に係る圧電式水素センサ1は、優れた歪特性を有するβ型ポリフッ化ビニリデン膜3を具備するので、従来の延伸法で形成したβ型ポリフッ化ビニリデン膜を具備する圧電式水素センサと比較すると、例えば、詳細は後述するが、出力電圧は、安定した電位変化を示し、検知感度は数倍優れていることがわかっている。これにより、高感度で且つ安定した検知特性を有し、信頼性の高い圧電式水素センサを実現できる。   Since the piezoelectric hydrogen sensor 1 according to the present embodiment includes the β-type polyvinylidene fluoride film 3 having excellent strain characteristics, the piezoelectric hydrogen sensor including the β-type polyvinylidene fluoride film formed by the conventional stretching method. For example, although details will be described later, it is known that the output voltage shows a stable potential change and the detection sensitivity is several times better. Thereby, it is possible to realize a highly reliable piezoelectric hydrogen sensor having high sensitivity and stable detection characteristics.

また、このような優れた歪特性を有するβ型ポリフッ化ビニリデン膜は、圧電式水素センサの他にも圧力センサ、超音波センサ、加速度センサ、振動センサ及び衝撃センサ等の各種圧電式センサに広く用いることができる。   In addition to piezoelectric hydrogen sensors, β-type polyvinylidene fluoride films having such excellent strain characteristics are widely used in various piezoelectric sensors such as pressure sensors, ultrasonic sensors, acceleration sensors, vibration sensors, and impact sensors. Can be used.

以下、実施例及び比較例に基づいて、さらに詳細に説明する。   Hereinafter, based on an Example and a comparative example, it demonstrates still in detail.

(実施例1)
表1は、実施例1〜8、比較例1、2で用いられた塗布液の構成、ポリフッ化ビニリデン膜の膜厚及び試験例1で実施した水素ガスセンサの検知特性の結果をそれぞれ示す。
Example 1
Table 1 shows the results of the configuration of the coating liquid used in Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 2, the film thickness of the polyvinylidene fluoride film, and the detection characteristics of the hydrogen gas sensor implemented in Test Example 1, respectively.

上記実施形態に基づき、ヘキサメチルリン酸トリアミド(以下「HMPA」と言う。)とアセトン(純度>99.5%)からなる混合溶液8.30g(体積比1:3)に、β型ポリフッ化ビニリデン(以下「PVDF」と言う。)の原料であるα型のPVDF粉末(Polysciences社製)を、HMPAの総質量に対して、3.5質量%(87.0mg)となるように加え、PVDF粉末が溶解するまで、約40℃で約60分間攪拌を行い、均一なPVDFを含有する塗布液を得た。   Based on the above embodiment, 8.30 g (volume ratio 1: 3) of a mixed solution composed of hexamethylphosphoric triamide (hereinafter referred to as “HMPA”) and acetone (purity> 99.5%) was added to β-type polyfluoride. Α-type PVDF powder (manufactured by Polysciences), which is a raw material of vinylidene (hereinafter referred to as “PVDF”), was added to 3.5 mass% (87.0 mg) with respect to the total mass of HMPA, Stirring was performed at about 40 ° C. for about 60 minutes until the PVDF powder was dissolved to obtain a coating solution containing uniform PVDF.

次に、得られた塗布液を用い、ペトリ皿上に塗布液1〜2.5mlを塗布し、PVDF含有膜を得た。そして、基板に塗布されたPVDF含有膜を約80℃のホットプレート上で、約24時間乾燥し、乾燥膜を得た。得られた乾燥膜を基板から剥離し、純水で約1分間水洗して、厚さ130μmのPVDF膜を形成した。   Next, using the obtained coating solution, 1 to 2.5 ml of the coating solution was applied onto a Petri dish to obtain a PVDF-containing film. Then, the PVDF-containing film applied to the substrate was dried on a hot plate at about 80 ° C. for about 24 hours to obtain a dried film. The obtained dry film was peeled off from the substrate and washed with pure water for about 1 minute to form a PVDF film having a thickness of 130 μm.

PVDF膜の両面に、厚さ10nmのパラジウム電極を形成して水素センサを製造した。なお、パラジウム電極は、DCスパッタ法により成膜した。
PVDF膜の結晶構造を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した。
また、赤外分光法によりPVDF膜の構造解析を行った。
A hydrogen sensor was manufactured by forming palladium electrodes with a thickness of 10 nm on both sides of the PVDF membrane. The palladium electrode was formed by DC sputtering.
The crystal structure of the PVDF film was observed using a scanning electron microscope (SEM).
In addition, structural analysis of the PVDF film was performed by infrared spectroscopy.

(実施例2)
実施例2では、HMPAとアセトンからなる混合溶液4.42g(体積比1:1)に、PVDFの原料であるα型のPVDF粉末を、HMPAの総質量に対して、3.5質量%(87.0mg)となるように加え、PVDFを含有する塗布液を得た。他の条件は実施例1と同様にした。実施例2では、厚さ145μmのPVDF膜を形成した。
(Example 2)
In Example 2, an α-type PVDF powder, which is a raw material of PVDF, was added to 4.42 g (volume ratio of 1: 1) of a mixed solution composed of HMPA and acetone at 3.5% by mass with respect to the total mass of HMPA ( 87.0 mg) to obtain a coating solution containing PVDF. Other conditions were the same as in Example 1. In Example 2, a PVDF film having a thickness of 145 μm was formed.

(実施例3)
実施例3では、HMPAとアセトンからなる混合溶液3.13g(体積比3:1)に、PVDFの原料であるα型のPVDF粉末を、HMPAの総質量に対して、3.5質量%(87.0mg)となるように加え、PVDFを含有する塗布液を得た。他の条件は実施例1と同様にした。実施例3では、厚さ195μmのPVDF膜を形成した。
(Example 3)
In Example 3, an α-type PVDF powder, which is a raw material for PVDF, was added to 3.13 g (volume ratio: 3: 1) of a mixed solution composed of HMPA and acetone at 3.5% by mass with respect to the total mass of HMPA ( 87.0 mg) to obtain a coating solution containing PVDF. Other conditions were the same as in Example 1. In Example 3, a PVDF film having a thickness of 195 μm was formed.

(実施例4)
実施例4では、HMPAとアセトンからなる混合溶液4.42g(体積比1:1)に、PVDFの原料であるα型のPVDF粉末を、HMPAの総質量に対して、3質量%(74.6mg)となるように加え、PVDFを含有する塗布液を得た。他の条件は実施例1と同様にした。実施例4では、厚さ175μmのPVDF膜を形成した。
Example 4
In Example 4, α-type PVDF powder, which is a raw material of PVDF, was added to 4.42 g (volume ratio 1: 1) of a mixed solution composed of HMPA and acetone at 3% by mass (74.74%) based on the total mass of HMPA. 6 mg), and a coating solution containing PVDF was obtained. Other conditions were the same as in Example 1. In Example 4, a PVDF film having a thickness of 175 μm was formed.

(実施例5)
実施例5では、HMPAとアセトンからなる混合溶液1.77g(体積比1:1)に、PVDFの原料であるα型のPVDF粉末を、HMPAの総質量に対して、5質量%(49.7mg)となるように加え、PVDFを含有する塗布液を得た。他の条件は実施例1と同様にした。実施例5では、厚さ70μmのPVDF膜を形成した。
(Example 5)
In Example 5, α-type PVDF powder, which is a raw material of PVDF, was added to 1.77 g (volume ratio 1: 1) of a mixed solution composed of HMPA and acetone at 5 mass% (49.49%) based on the total mass of HMPA. 7 mg), and a coating solution containing PVDF was obtained. Other conditions were the same as in Example 1. In Example 5, a PVDF film having a thickness of 70 μm was formed.

(実施例6)
実施例6では、HMPAとアセトンからなる混合溶液4.42g(体積比1:1)に、PVDFの原料であるα型のPVDF粉末を、HMPAの総質量に対して、5質量%(124.3mg)となるように加え、PVDFを含有する塗布液を得た。他の条件は実施例1と同様にした。実施例6では、厚さ285μmのPVDF膜を形成した。
(Example 6)
In Example 6, α-type PVDF powder, which is a raw material of PVDF, was added to 4.42 g (volume ratio 1: 1) of a mixed solution composed of HMPA and acetone at 5% by mass (124.%) with respect to the total mass of HMPA. 3 mg), and a coating solution containing PVDF was obtained. Other conditions were the same as in Example 1. In Example 6, a PVDF film having a thickness of 285 μm was formed.

(実施例7)
実施例7では、HMPAとアセトンからなる混合溶液1.77g(体積比1:1)に、PVDFの原料であるα型のPVDF粉末を、HMPAの総質量に対して、6.5質量%(64.4mg)となるように加え、PVDFを含有する塗布液を得た。他の条件は実施例1と同様にした。実施例7では、厚さ70μmのPVDF膜を形成した。
(Example 7)
In Example 7, an α-type PVDF powder, which is a raw material of PVDF, was added to 1.77 g (volume ratio 1: 1) of a mixed solution composed of HMPA and acetone at 6.5% by mass with respect to the total mass of HMPA ( 64.4 mg) to obtain a coating solution containing PVDF. Other conditions were the same as in Example 1. In Example 7, a PVDF film having a thickness of 70 μm was formed.

(実施例8)
実施例8では、HMPAとアセトンからなる混合溶液4.42g(体積比1:1)に、PVDFの原料であるα型のPVDF粉末を、HMPAの総質量に対して、6.5質量%(161.5mg)となるように加え、PVDFを含有する塗布液を得た。他の条件は実施例1と同様にした。実施例8では、厚さ280μmのPVDF膜を形成した。
(Example 8)
In Example 8, the α-type PVDF powder, which is a raw material of PVDF, was added to 4.42 g (volume ratio 1: 1) of a mixed solution composed of HMPA and acetone at 6.5% by mass with respect to the total mass of HMPA ( 161.5 mg) to obtain a coating solution containing PVDF. Other conditions were the same as in Example 1. In Example 8, a PVDF film having a thickness of 280 μm was formed.

(比較例1)
比較例1においては、HMPA2.49gに、β型PVDFの原料であるα型のPVDF粉末を、HMPAの総質量に対して、3.5質量%(87.0mg)となるように加えて、塗布液を得た以外の条件は実施例1と同様にした。形成されたPVDF膜の膜厚は、170μmであった。また、比較例1で形成したPVDF膜について、実施例1と同様にSEM観察を行った。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, α-type PVDF powder, which is a raw material for β-type PVDF, was added to 2.49 g of HMPA so that the total mass of HMPA was 3.5% by mass (87.0 mg). The conditions other than obtaining the coating solution were the same as in Example 1. The film thickness of the formed PVDF film was 170 μm. Further, the SDF observation was performed on the PVDF film formed in Comparative Example 1 in the same manner as in Example 1.

(比較例2)
比較例2においては、市販品であるβ型PVDF膜を用いた。市販品のβ型PVDF膜の膜厚は、52μmであった。
(Comparative Example 2)
In Comparative Example 2, a commercially available β-type PVDF membrane was used. The film thickness of the commercially available β-type PVDF membrane was 52 μm.

(試験例1)
実施例1〜8、比較例1、2に基づいて形成したPVDF膜を圧電体膜として水素センサに適用し、水素ガスの検知特性の評価を行った。
(Test Example 1)
The PVDF film formed based on Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 2 was applied as a piezoelectric film to a hydrogen sensor, and the hydrogen gas detection characteristics were evaluated.

図2〜図9は、実施例1〜8に基づいて形成したPVDF膜を具備する水素センサの検知特性の結果をそれぞれ示す。   2 to 9 show the results of detection characteristics of the hydrogen sensor including the PVDF film formed based on Examples 1 to 8, respectively.

図10、図11は、比較例1、2に基づいて形成したPVDF膜を具備する水素センサの検知特性の結果をそれぞれ示す。   10 and 11 show the results of detection characteristics of the hydrogen sensor including the PVDF film formed based on Comparative Examples 1 and 2, respectively.

水素ガス検知特性の評価は、乾燥空気と水素100%を交互に導入できるセル中に、実施例1〜8、比較例1、2のPVDF膜を具備する水素センサをそれぞれ設置することにより行った。水素センサの動作温度は室温とした。   Evaluation of the hydrogen gas detection characteristics was performed by installing hydrogen sensors each including the PVDF membranes of Examples 1 to 8 and Comparative Examples 1 and 2 in a cell in which dry air and hydrogen 100% can be alternately introduced. . The operating temperature of the hydrogen sensor was room temperature.

表1に水素ガスセンサの検知特性の結果を示す。出力電圧の変化量が極めて大きく且つ安定した変化を示した場合は◎、出力電圧の変化量が大きく且つ安定した変化を示した場合は○、出力電圧の変化量が少ない又は安定した変化を示さなかった場合は×とした。   Table 1 shows the results of detection characteristics of the hydrogen gas sensor. When the output voltage change is extremely large and shows a stable change, ◎, when the output voltage change is large and shows a stable change, ○, when the output voltage change is small or shows a stable change When it did not exist, it was set as x.

この結果、実施例1〜3の水素センサについては、水素検出後の出力電圧の変化量は約50〜60mVと大きな値を示し、実施例7については、約110mVとさらに大きな値を示した。また、実施例8については、約275mVと極めて大きな値を示した。   As a result, for the hydrogen sensors of Examples 1 to 3, the amount of change in the output voltage after hydrogen detection showed a large value of about 50 to 60 mV, and for Example 7, a larger value of about 110 mV was shown. Further, Example 8 showed an extremely large value of about 275 mV.

水素雰囲気を空気に戻しても、出力電圧は実施例1〜3、7、8のいずれのセンサも初期値まで緩やかに減少していった。また、実施例5、6の水素センサについても、水素検出後の出力電圧は安定した変化を示し、出力電圧の変化量は約30〜35mVであった。実施例4についても、出力電圧の変化量は約55mVと大きな値を示した。   Even when the hydrogen atmosphere was returned to air, the output voltage of all the sensors of Examples 1-3, 7, and 8 gradually decreased to the initial value. Also, in the hydrogen sensors of Examples 5 and 6, the output voltage after hydrogen detection showed a stable change, and the change amount of the output voltage was about 30 to 35 mV. Also in Example 4, the amount of change in the output voltage was as large as about 55 mV.

これに対し、比較例1のPVDF膜を具備する水素センサについては、水素検出後も雰囲気を空気に戻した後も、出力電圧が大きく変動し、安定しなかった。また、比較例2の市販品のPVDF膜を具備する水素センサについては、出力電圧の変化量は僅か10mV程であり、水素雰囲気を空気に戻したときの出力電圧は、各実施例の水素センサのようには緩やかに減少しなかった。   On the other hand, the hydrogen sensor including the PVDF membrane of Comparative Example 1 was not stable because the output voltage fluctuated greatly both after hydrogen detection and after the atmosphere was returned to air. Moreover, about the hydrogen sensor which comprises the commercially available PVDF membrane of Comparative Example 2, the amount of change in the output voltage is only about 10 mV, and the output voltage when the hydrogen atmosphere is returned to the air is the hydrogen sensor of each example. It did not decrease gradually.

以上のことから、本発明に係るβ型ポリフッ化ビニリデン膜を具備する水素センサは、高感度で且つ安定した電位変化を示す信頼性の高い水素センサであることがわかった。   From the above, it has been found that the hydrogen sensor including the β-type polyvinylidene fluoride film according to the present invention is a highly reliable hydrogen sensor having high sensitivity and showing a stable potential change.

(試験例2)
実施例1、比較例1に基づいて形成したPVDF膜を走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて観察した。図12は、実施例1、比較例1に基づいて形成したPVDF膜表面のSEM写真である。なお、SEM写真の黒い部分は空隙を示す。
(Test Example 2)
The PVDF film formed based on Example 1 and Comparative Example 1 was observed using a scanning electron microscope (SEM). FIG. 12 is a SEM photograph of the PVDF film surface formed based on Example 1 and Comparative Example 1. In addition, the black part of a SEM photograph shows a space | gap.

図12に示すように、実施例1のPVDF膜は、平均粒径8〜9μmからなる均一な粒状の結晶粒がまだらな状態で積層されており、結晶粒の間には、空隙を示す黒い部分が膜全体に亘って存在することがわかった。体積空隙率を算出すると、48%〜53%と極めて大きな値を示した。   As shown in FIG. 12, the PVDF film of Example 1 has a uniform granular crystal grain having an average grain diameter of 8 to 9 μm stacked in a mottled state, and a black showing voids between the crystal grains. It was found that a portion was present throughout the membrane. When the volume porosity was calculated, an extremely large value of 48% to 53% was shown.

これに対し、比較例1のPVDF膜は、不均一な粒状の結晶粒が互いに密着して敷き詰められており、空隙を示す黒い部分は、実施例1と異なり、膜全体に存在しないことが確認された。体積空隙率を算出すると30%であり、小さな値を示した。   On the other hand, in the PVDF film of Comparative Example 1, it was confirmed that the non-uniform granular crystal grains were in close contact with each other, and the black portions indicating voids were not present in the entire film unlike Example 1. It was done. The volume porosity was calculated to be 30%, indicating a small value.

このように、実施例1のPVDF膜は、体積空隙率が大きく、結晶粒の間に複数の空隙が存在する多孔性の膜であるため、歪特性に優れた膜である。実際に、実施例1のPVDF膜を圧電体膜として具備する水素センサは、試験例1の結果から、極めて高感度の検知特性を発現している。これは、本発明に係るβ型PVDF膜の優れた歪特性によるものであり、この優れた歪特性は、β型PVDF膜の結晶粒の間に複数の空隙が存在することに起因するものである。   Thus, the PVDF film of Example 1 is a porous film having a large volume porosity and having a plurality of voids between crystal grains, and thus has excellent strain characteristics. Actually, the hydrogen sensor comprising the PVDF film of Example 1 as a piezoelectric film exhibits extremely sensitive detection characteristics based on the results of Test Example 1. This is due to the excellent strain characteristics of the β-type PVDF film according to the present invention, and this excellent strain characteristic is due to the presence of a plurality of voids between crystal grains of the β-type PVDF film. is there.

(試験例3)
赤外分光法によるPVDF膜の結晶構造の解析を行った。測定装置は、ABB−BOMEM製FTA2000を用いた。
(Test Example 3)
The crystal structure of the PVDF film was analyzed by infrared spectroscopy. As the measuring apparatus, FTA2000 manufactured by ABB-BOMEM was used.

図13は、PVDF膜の赤外分光法による吸収スペクトルの結果である。図13中の(a)は、実施例1において、塗布膜からアセトンを揮発させた後の乾燥膜の吸収スペクトルを示す。図13中の(b)は、実施例1において、乾燥膜を水洗することによりHMPAを除去した後のPVDF膜の吸収スペクトルを示す。   FIG. 13 shows the result of the absorption spectrum of the PVDF film by infrared spectroscopy. (A) in FIG. 13 shows the absorption spectrum of the dry film after volatilizing acetone from the coating film in Example 1. (B) in FIG. 13 shows the absorption spectrum of the PVDF membrane after removing HMPA in Example 1 by washing the dried membrane with water.

図13中の(a)では、β型のPVDF膜の存在を示すピークが複数認められ、α型のピークはほとんど認められなかった。また、PVDF膜に残存するHMPAのピークが認められた。図13中の(b)では、これらのβ型を示すピークは、さらに鋭く現れた。また、HMPAのピークは認められなかったため、水洗によりHMPAは除去されていることが確認された。   In (a) of FIG. 13, a plurality of peaks indicating the presence of a β-type PVDF film were observed, and almost no α-type peak was observed. Moreover, the peak of HMPA remaining in the PVDF membrane was observed. In (b) in FIG. 13, these β-type peaks appear sharper. Moreover, since the peak of HMPA was not recognized, it was confirmed that HMPA was removed by washing with water.

この結果、乾燥膜にHMPAが含まれている状態では、β型を示すピークは弱く、β型のPVDFの純度は低いことがわかった。一方、水洗により乾燥膜からHMPAを除去することにより、β型を示すピークは鋭くなり、β型のPVDF膜の純度は高くなることがわかった。したがって、本発明に係るβ型のPVDF膜の製造方法によれば、極めて純度の高いβ型のPVDF膜を得ることができる。   As a result, it was found that in the state where HMPA was contained in the dry film, the peak indicating β-type was weak and the purity of β-type PVDF was low. On the other hand, it was found that by removing HMPA from the dried membrane by washing with water, the peak indicating β-type becomes sharp and the purity of the β-type PVDF membrane increases. Therefore, according to the method for producing a β-type PVDF membrane according to the present invention, a β-type PVDF membrane with extremely high purity can be obtained.

(他の実施形態)
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明の基本的構成は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、β型ポリフッ化ビニリデン膜を圧電体膜として圧電式水素センサに適用したが、圧電式水素センサ以外でも、圧力センサ、超音波センサ、加速度センサ、振動センサ及び衝撃センサ等の各種センサに広く適用することができる。また、回路及びソフトウエア等の情報処理デバイスや、アクチュエータ及びトランスデューサ等の出力デバイス等にも用いることができる。
(Other embodiments)
Although one embodiment of the present invention has been described above, the basic configuration of the present invention is not limited to the above-described embodiment. For example, in the above-described embodiment, the β-type polyvinylidene fluoride film is applied to the piezoelectric hydrogen sensor as a piezoelectric film. However, other than the piezoelectric hydrogen sensor, a pressure sensor, an ultrasonic sensor, an acceleration sensor, a vibration sensor, and an impact sensor are used. It can be widely applied to various sensors. It can also be used for information processing devices such as circuits and software, and output devices such as actuators and transducers.

本発明は、β型ポリフッ化ビニリデン膜の圧電特性を利用した各種センサ、情報処理デバイス及び出力デバイス等の産業分野で利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used in industrial fields such as various sensors, information processing devices, and output devices using the piezoelectric characteristics of β-type polyvinylidene fluoride films.

1 圧電式水素センサ
2 パラジウム電極
3 β型ポリフッ化ビニリデン膜
1 Piezoelectric hydrogen sensor 2 Palladium electrode 3 β-type polyvinylidene fluoride film

Claims (6)

β型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法であって、
ポリフッ化ビニリデンと、該ポリフッ化ビニリデンを溶解してβ型に固定する水溶性極性溶媒と、前記水溶性極性溶媒よりも沸点が低い有機溶媒とを混合して塗布液を形成する工程と、
得られた塗布液を基板に塗布して塗布膜を形成する工程と、
前記塗布膜を乾燥する工程と、
乾燥した膜を水洗する工程とを含むことを特徴とするβ型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法。
A method for producing a β-type polyvinylidene fluoride film,
Mixing a polyvinylidene fluoride, a water-soluble polar solvent that dissolves the polyvinylidene fluoride and fixing it in β-type, and an organic solvent having a boiling point lower than that of the water-soluble polar solvent to form a coating solution;
A step of applying the obtained coating liquid to a substrate to form a coating film;
Drying the coating film;
And a step of washing the dried membrane with water. A method for producing a β-type polyvinylidene fluoride membrane, comprising:
請求項1に記載のβ型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法において、
前記水溶性極性溶媒と、該水溶性極性溶媒よりも沸点が低い有機溶媒の体積比は、1:3〜3:1の範囲にあることを特徴とするβ型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法。
The method for producing a β-type polyvinylidene fluoride film according to claim 1,
The method for producing a β-type polyvinylidene fluoride film, wherein the volume ratio of the water-soluble polar solvent and the organic solvent having a boiling point lower than that of the water-soluble polar solvent is in the range of 1: 3 to 3: 1.
請求項1又は2に記載のβ型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法において、
前記水溶性極性溶媒は、ヘキサメチルリン酸トリアミドであることを特徴とするβ型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法。
In the method for producing a β-type polyvinylidene fluoride film according to claim 1 or 2,
The method for producing a β-type polyvinylidene fluoride film, wherein the water-soluble polar solvent is hexamethylphosphoric triamide.
ポリフッ化ビニリデンを含有する塗布液を塗布して製造されたβ型ポリフッ化ビニリデン膜であって、
粒状の結晶粒からなり、
前記粒状の結晶粒の平均粒径は、8〜9μmであり、
48%〜53%の体積空隙率を有することを特徴とするβ型ポリフッ化ビニリデン膜。
A β-type polyvinylidene fluoride film manufactured by applying a coating liquid containing polyvinylidene fluoride,
Consisting of granular crystal grains,
The average grain size of the granular crystal grains is 8-9 μm,
A β-type polyvinylidene fluoride film having a volume porosity of 48% to 53%.
請求項1〜3の何れか一項に記載のβ型ポリフッ化ビニリデン膜の製造方法により製造されたβ型ポリフッ化ビニリデン膜又は請求項4に記載のβ型ポリフッ化ビニリデン膜と、
前記β型ポリフッ化ビニリデン膜の両面にそれぞれ積層された電極とを具備することを特徴とする圧電式センサ。
A β-type polyvinylidene fluoride film produced by the method for producing a β-type polyvinylidene fluoride film according to any one of claims 1 to 3, or the β-type polyvinylidene fluoride film according to claim 4,
A piezoelectric sensor comprising electrodes laminated on both sides of the β-type polyvinylidene fluoride film.
請求項5に記載の圧電式センサにおいて、
前記圧電式センサは、圧電式水素センサであることを特徴とする圧電式センサ。
The piezoelectric sensor according to claim 5, wherein
The piezoelectric sensor is a piezoelectric hydrogen sensor.
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